Синтез и свойства полимерных микросфер с функциональными группами на поверхности тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

р г о

П П

и .1

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ Л.Я.КАРПОВА

На правах рукописи УДК:541(15+64):678.01

ШУМАНСКИЙ СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МИКРОСФЕР С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ГРУППАМИ НА ПОВЕРХНОСТИ.

Специальность - 02.00.06. -

химия высокомолекулярных соединений.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 1993 г.

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени не но-исследовательском физико-химическом институте им. Л. Я. Карпова

Научные руководители: - профессор, доктор химических нау

ТЕЛЕШОВ Э.Н.

- профессор, доктор химических нау

I

■ ГРИЦКОВА И.А.

Официальные оппоненты: - профессор, доктор химических нау!

ЗЕЗИН А. Б.

- доктор химических наук

ГРОМОВ В.Ф.

Ведущая организация: - МХТИ им. Д. И. Менделеева

Защита диссертации состоится " Т~" С^гу^Л^ 199? в ^ час на заседании специализированного совета Д 138.02.02 п Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском физ ко-химическом институте им.Л.Я. Карпова по адресу:

103064, г.Москва,, ул.Обуха, 10, НИФХИ им.Л.Я.Карпова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИФ1 им.Л.Я.Карпова.

Афтореферат разослан 199 ^г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат химических наук

JЬ^лал^Слм

СЕЛИХОВА В. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы В настоящее время стабильные дисперсии .зличных полимеров получили широкое применение в области биохими-юких исследований. Возможность крупномасштабного синтеза таких [сперсий с комплексом заданных свойств определяет их преимущество ¡ред традиционно используемыми в качестве дисперсных носителей и ¡еточных маркеров природными обьектами, которые не всегда удобны ш применения в иммунохимических исследованиях, поскольку они, 1К правило, малодоступны, обладают низкой биологической и химичкой устойчивостью и их свойства часто зависят от источника вы-глёния и поэтому могут варьировать.

Несмотря на огромное разнообразие известных полимерных дис-эрсий. далеко не каждая из них является пригодной для биологичес-те и иммунохимических исследований, а те из них, которые оказыва-гся пригодными для использования, иногда имеют ограниченное при-знение в силу присущих им свойств.

Эффективное применение полимерных дисперсий в указанных выше 5ластях должно базироваться на определенных их свойствах, которые эстоят в следующем:

-частицы должны быть заданного размера, определяющего область х применения и обладать узким распределением частиц по размерам;

-полимерные дисперсии должны характеризоваться высокой устой-ивостью как при хранении, так и по отношению к различного рода оздействиям, например, к действию электролитов в широком диапазо-е рН;

-иметь определенную природу поверхности частиц, а в ряде слу-аев и заданную концентрацию функциональных групп на их поверхнос-и, что необходимо для ковапентного связывания различных биолиган-ов без значительного изменения их функциональной активности.

Однако, до сих пор проблема получения полимерных дисперси( удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям, является не досте точно решенной. Поэтому работы, направленные на поиск путей V синтеза, являются актуальными.

Цель работы состояла в изучении возможных способов получето полимерных суспензий, частицы которых имеют альдегидные группы ь своей поверхности и могут использоваться в качестве носителей бис логических макромолекул в иммунохимических реакциях, и исследове нии закономерностей их синтеза и свойств.

Научная новизна работы:

-показана возможность получения стабильных полимерных суспензий, частицы которых содержат на поверхности альдегидные груг пы и имеют диаметр в интервале 0,6-0,9 мкм, методом пострадиациое ной привитой полимеризации.

-определены условия проведения привитой полимеризации акроле ина на гомо- и сополимерных микросферах, полученных методом змуль сионной полимеризации. Установлено, что кинетические закономерное ти процесса прививки акролеина на частицы полимерных суспензий щественно зависят от природы полимера подложки и условий его пол^ чения.

-установлено, что пострадиационная привитая полимеризация & ролеина происходит в основном по винильной группе мономера, пре; ложена структура привитого полиакролеина.

-установлено, что при радикальной гетерофазной полимеризащ акролеина, инициированной *-излучением Со50-источника, полимерш суспензии образуются только в присутствии полимерных ПАВ.

Практическая ценность работы. Предложен способ получения пс лимерных суспензий с альдегидными группами на поверхности микро( фер и узким распределением частиц по размерам для иммунохимичесю исследований путем проведения пострадиационной привитой полимер!

/

щии акролеина из газовой фазы на микросферах полимерных суспен-т различной природы.

Автор защищает:

-способы получения полимерных суспензий с альдегидными трупами на поверхности микросфер и узким распределнием частиц по раз-эрам

-кинетические закономерности пострадиационной привитой политизации акролеина из газовой фазы на гомо- и сополимерных мик-эсферах, полученных методом эмульсионной полимеризации, как в рисутствии эмульгаторов различного типа так и в их отсутствие

-свойства синтезированных микросфер со структурой типа яд-э-оболочка

-использование синтезированных микросфер в иммунохимических еакциях для получения диагностикумов с высокой чувствительностью специфичностью.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на:

- 6 Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов по изической химии "Физхимия-90" (г. Москва.1990г. )

- 2 Всесоюзной конференции по теоретической и прикладной ра-иационной химии (г. Обнинск,1990г.)

- 8 Всесоюзной научно-технической конференции "Синтетические 1атексы, их применение и модифицирование" (г. Воронеж,1991г.)

- 9 Всесоюзном симпозиуме "Синтетические полимеры медицинско-'о назначения" (г. Звенигород, 1991г.)

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы статья, 6 тезисов докладов. Подана заявка на изобретение.

Структура и обьем работы: Диссертация состоит из введения, мтературного обзора (глава 1), экспериментальной части (глава 2), »езультатов и их обсуждения (глава 3), выводов и списка использо-

ванной литературы.

Работа изложена на /^/страницах машинописного текста, содер жит 40 рисунков, У таблицы и библиографический список, содержал^ 5 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблема определена задача работы.

В литературном обзоре (глава 1) рассмотрены методы синтез полимерных микросфер, содержащих функциональные группы на поверх ности, и охарактеризованы их особенности, рассмотрены литературны данные,- касающиеся понимания механизма и кинетических особенносте процесса образования микросфер, проведен анализ их свойств. На ос новании литературного обзора предложены возможные пути решени поставленной в работе задачи.

В главе 2 (экспериментальная часть) даны характеристики ис пользуемых в работе веществ, описаны методики эксперимента и мето да исследования.

В главе 3 (результаты и их обсуждение) приведены получении результаты и дана их интерпретация.

Наиболее перспективными для использования в иммунохимически реакциях являются полимерные суспензии, частицы которых на поверх ности содержат альдегидные группы, которые в мягких условиях и одну стадию ковалентно связываются с биолигандами, содержащим первичные аминогруппы.

Учитывая литературные данные, было решено получать полимерны микросферы с альдегидными группами на поверхности как по радикаль ному механизму путем проведения гетерофазной полимеризации акроле ина, так и путем модификации суспензий различной полимерной прирс

да методом прививочной радикальной полимеризации акролеина.

При проведении гетерофаэной полимеризации акролеина инициирование осуществляли как вещественными инициаторами (К^Од или окислительно-восстановительными системами К^Ов-РеЗД и Кг^Ов-АвГОд), так и У-излучением Со''"-источника.

Процесс полимеризации акролеина проводили в бескислородных условиях, в присутствии ПАВ различной природы: ионогенных - калиевого шла диспропорционированной канифоли и калиевого мыла синтетических жирных кислот (КМК и КСЖК), алкилсульфоната натрия (Е-30): полимерных ПАВ, таких как полиэтиленгликоль (ПЭГ-20) и по-лиоксиэтилен сорбитан моноолеат (Т>гееп-80), а также сополимеризую-щегося ПАВ - диметилвинилэтинилметилгидропероксида (ВАГ-3).

Полученные экспериментальные данные позволяют заключить, что радикальная полимеризация акролеина в присутствии ионогенных ПАВ (КМК.КСЖК и Е-30) не приводит к образованию полимерной суспензии. Вероятной причиной этого является образование продуктов низкой молекулярной массы, растворимых в воде.

Из исследованных полимерных ПАВ, образование полиакролеиновой дисперсии наблюдается только в присутствии ПЭГ-20 и Т»ееп-80.

На Рис.1. приведена зависимость выхода полиакролеина от времени облучения реакционной смеси ¡(-излучением при проведении полимеризации акролеина с использованием этих ПАВ. Видно, что с увеличением продолжительности процесса полимеризации, количество образующегося полимера линейно возрастает, причем скорости полимеризаций в присутствии ПЭГ-20 и Т»ееп-80 практически совпадают.

Изменение мощности дозы ¡(-излучения в интервале от 0,1 до 0,4 Мрад/час приводит в обоих случаях к увеличению скорости процесса. Следует отметить, что значения скорости полимеризации в присутствии ПЭГ-20 и Тиееп-80 практически равны.

СО'

20

10 '' ■»ЧО1,«1

113 4

РисМ.

Рис. 2.

v

Рис. 1. Зависимость выхода полиакролеина от времени в присутствии ПЭГ-20 (1) и Tween-80 (2) при различных мощностях дозы облучения реакционной смеси (I^O, 1 Мрад/час; 12«0,4 Мрад/час)

Рис.-2. ИК-спектр радиационного полиакролеина полученного в присутствии ПЭГ-20.

Наличие альдегидных групп в синтезированных частицах суспензии было определено методом ИК-спектроскопии. В качестве примера на Рис.2, приведен ИК-спектр для образца, полученного в присутствии ПЭГ-20.. Видно, что ИК-спектр полимера имеет пик поглощения в области 1725 см"1, который соответствует колебанию карбонильной группы в алифатическом альдегиде. Подобная картина наблюдается и для других исследованных образцов.

Для определения размеров частиц и их распределения по размерам, синтезированные суспензии исследовали методом электронной сканирующей микроскопии (SEM). Анализ полученных SEM результатов позволяет заключить, что при мощности дозы в интервале от 0,1 до

0,4 Мрад/час синтезированные дисперсии представляют собой агрегаты. имеющие неровную поверхность и состоящие из нескольких мелких частиц, имеющих сферическую форму и приблизительно одинаковый размер. Аналогичные дисперсии получаются и при изменении концентрации ПАВ в интервале от 1 до 5% масс, в расчете на водную фазу .

Приведенные выше результаты были получены при проведении процесса полимеризации в статических условиях - без перемешивания.

Представлялось интересным выяснить, изменяются ли свойства полимерных суспензий при проведении полимеризации при перемешивании реакционной среды.

При проведении полимеризации акролеина в условиях перемешивания реакционной среды при прочих равных условиях (изменении мощности дозы в интервале от 0,1 до 0,4 Мрад/час и концентрации ПАВ в интервале от 1 до 5% масс, в расчете на водную фазу), заметных изменений не было обнаружено: образовывались дисперсии, аналогичные наблюдаемым при полимеризации в отсутствие перемешивания.

Следует также отметить, что полученные суспензии оказались неустойчивы при хранении.

Поскольку методом гетерофазной радикальной полимеризации акролеина синтезировать полиакролеиновые суспензии с требуемыми свойствами (одинакового размера, устойчивостью в процессе синтеза) не удалось, то была сделана попытка решить эту проблему путем создания полимерных микросфер со строением типа ядро-оболочка методом пострадиационной привитой полимеризации акролеина из газовой фазы на матрице, представляющей собой устойчивые полимерные ' частицы одинакового размера.

Работа в этом направлении представлялась интересной не только в практическом, но и в научном плане, так как способ пострадиационной прививочной полимеризации мономера из газовой фазы описан в

литературе недостаточно и используется лишь для модификации полимерных пленок, волокон и порошков минеральных частиц .

В качестве матрицы для проведения пострадиационной привитой полимеризации акролеина были выбраны полимерные суспензии полученные эмульсионной полимеризацией стирола и сополимеризацией метил-метакрилата (ММА) с метакриловой кислотой (МАК) , частицы которых имеют узкое распределение частиц по размерам, устойчивы при хранении и в физиологических растворах, то есть по свойствам они удовлетворяли требованиям, предъявляемым к суспензиям, применяемым для иммунохимических исследований.

Выбор этих мономеров для синтеза матрицы связан также и с возможностью изучения влияния природы полимера, образующего частицы подложки, на кинетические закономерности привитой полимеризации акролеина и свойства конечного продукта.

В связи с тем, что условия синтеза полимерной суспензии, используемой в качестве матрицы, могут оказать существенное влияние на кинетику процесса прививки акролеина и свойства продукта модификации, при радиационно-химической привитой полимеризации акролеина использовали суспензии, полученные как в присутствии эмульгатора, так и в его отсутствие.

В качестве ПАВ применяли оксиэтилированный псшипропиленгли-коль (Р-68) и ди-п-толил-о-карбалкоксифенилкарбинол (ДТК). Инициирование процесса полимеризации во всех случаях осуществляли персульфатом калия (ПСЮ. Полимеризацию мономеров проводили до полной их конверсии. Время полимеризации составляло 24 часа.

Полученные полимерные суспензии подвергали лиофильной сушке, и образующиеся при этом порошки использовали в качестве матриц для проведения пострадиационной привитой полимеризации акролеина из газовой фазы.

Инициирование процесса прививки акролеина осуществляли за счет стабилизированных в микросферах матрицы радикалов, которые образуются при облучении подложки И-излучением в вакууме.

Для выбора дозы . облучения исследуемых подложек методом ЭПР изучали накопление в них радикалов при их облучении ¡С-излучением. Исходя из полученных методом ЭПР данных, для дальнейших исследований была выбрана доза облучения - 15 Мрад, при которой для всех образцов наблюдается выход кривых накопления радикалов на плато, что соответствует установлению в образцах стационарной концентрации радикалов.

Изучение прививочной полимеризации акролеина на исследуемых микросферах проводили по количеству привитого полиакролеина в зависимости от времени проведения процесса полимеризации. Степень прививки полиакролеина к полимеру матрицы определяли методом гравиметрии.

На Рис.3, представлена кинетика накопления привитого полиакролеина на исследуемых подложках, полученная при различном соотношении давления пара над жидким мономером (Рм) и давления пара над частицами подложки (Р0).

Из данных, приведенных на Рис.3., видно, что при использовании в качестве матрицы полистирольной суспензии, полученной в отсутствие эмульгатора - ПС(б/э), а также полистирольной дисперсии, полученной в присутствии Р-68 - ПС(Р-68) с увеличением времени прививки возрастает количество привитого полиакролеина. По мере накопления привитого полиакролеина скорость прививки снижается, что обусловлено снижением концентрации радикалов в подложке со временем и характерно для процессов пострадиационной полимеризации. Аналогичная зависимость наблюдается и при использовании в качестве матрицы частиц, представляющих собой сополимер ММА с МАК.

о (0 20 50 « ■■ 0 0 *® Зй

Рис.3, (а) Рис.ЗДб)

Рис. 3. Кинетика накопления привитого полиакролеина на частицах ПС подложек, полученных в отсутствие эмульгатора (1), в присутствии Р-68 (2) и ДТК (3), а также на частицах полиакрилатной подложки, полученной «¡полимеризацией ММА с МАК (4), при соотношении давления пара над жидким мономером и давления пара над частицами подложки Рм/Р0-0,6 (а) и Р„/Ро-0.8 (б).

Для. полистирольных частиц, полученных в присутствии ДТК -ПС (ДТК), эта зависимость имеет вид кривой с выходом на плато, и изменение скорости полимеризации в процессе прививки акролеина на эту подложку (в отличие от других исследуемых подложек) происходит более резко. Наблюдаемый эффект может быть вызван особенностями подложки, вероятно связанными с влиянием используемого эмульгатора.

При увеличении соотношения давления паров акролеина над жидким мономером и давления паров над частицами подложки (Р„/Р0) от значения равного 0,6 до 0, .8 скорость прививки полиакролеина к мат-

рице для всех образцов уменьшается (Рис.3.). что находится в соответствии с зависимостью скорости процесса полимеризации от концентрации (давления) мономера в реакционном обьеме.

Характер кинетических закономерностей прививочной полимеризации зависит от места протекания этого процесса: при полимеризации в обьеме подложки существенное влияние оказывает высокая вязкость реакционной среды и диффузия в ней молекул мономера, а в случае полимеризации на поверхности частиц определенное влияние оказывает природа и структура их поверхности, а также характер абсорбции на ней молекул мономера, то есть кинетические особенности этого процесса в большой степени зависят от диффузионно-сорбционных характеристик исследуемых систем.

В связи с этим мы считали целесообразным изучить кинетику сорбции акролеина частицами подложек в зависимости от давления паров акролеина.

Изучение сорбции паров акролеина частицами подложек при разных значениях давления паров акролеина (Рис.4.) показало, что если

Рис.4. Зависимость сорбции акролеина от давления его паров на частицах ПС подложек, полученных в отсутствие эмульгатора (1), в присутствии F-68 (2) и ДТК (3), а также на частицах полиакрилатной подложки, полученной сополимеризацией ММА с МАК (4).

при сорбции акролеина на ПС(ДТК) частицах характер кривой имеет тенденцию к запределеванию, то для сорбции акролеина на ПС(Р-68) и ПС(б/э) частицах, а также на частицах, полученных сополимеризацией ММА с МАК, характер этой зависимости иной: с увеличением давления паров мономера наблюдается увеличение величины сорбированного акролеина.

Исходя из полученных данных, можно предположить, что для ПС(Р-68), ПС(б/э) и сополимера ММА с МАК диффузия акролеина в обь-ем частиц играет более заметную роль, чем в случае использования в качестве подложки ПС(ДТК).

Зависимость величины абсорбции акролеина на частицах подложки от давления его паров дает возможность определить только характер сорбции и равновесное значение сорбции мономера на частицах подложки при заданном давлении паров мономера, но не дает возможность охарактеризовать время установления этого абсорбционного равновесия, которое зависит от константы скорости абсорбции.

Произведенный по кинетическим кривым абсорбции расчет констант скоростей абсорбции показал, что, например, при давлении паров акролеина Ры =230 мм.рт.ст. для ПС(ДТК) частиц величина этой константы равна 4,3x10"3с"1, что выше, чем для ПС(Р-68) частиц, для которых эта константа равна 0,8x10"3 с"1.

Разница в значениях величин константы скорости абсорбции должна соответственно коррелировать с разницей в значениях величин скорости полимеризации, что и подтверждается сопоставлением данных по исследованию сорбции акролеина на частицах различной полимерной природы и данных по зависимости выхода привитого полиакролеина от времени на исследуемых подложках.

Различие характеристик исследуемых систем и связанных с этиь особенностей протекания в них процесса полимеризации акролеине

должно отразиться, на строении привитого полиакролеина и соответственно на свойствах получаемых продуктов модификации. Поскольку его строение будет оказывать влияние на качество и количество реакционных групп на поверхности частиц, что в свою очередь будет заметно влиять на ход дальнейших реакций, была предпринята попытка методом ИК-спектроскопии определить строение полученных полимеров.

Анализ ИК-спектров (Рис.5) исходных и модифицированных полиакролеином полимеров показал, что в спектрах всех синтезированных полимеров присутствует пик поглощения в области 1725 см"1, который соответствует колебанию карбонильной группы в алифатическом альдегиде. Увеличение степени прививки полиакролеина на полимерной матрице приводит к повышению интенсивности поглощения в области 1725 см"1.

Обращает на себя внимание тот факт, что наряду с пиком поглощения в области 1725 см"1, в спектрах модифицированных полиакролеином полимеров имеется пик поглощения в области 1100 см"1, который соответствует колебанию С-0 связей в ацеталях. Данные связи могут образовываться или за счет протекания процесса полимеризации акролеина по карбонильной группе или за счет взаимодействия альдегидных групп образующегося полимера, находящихся в гидратированной форме, друг с другом.Последнее возможно в силу того, что свободные альдегидные группы находятся в равновесии со своими гидратирован-ными формами, поскольку получаемые полимеры акролеина даже в условиях осушки под глубоким вакуумом содержат определенное количество воды.

Для выяснения способа образования С-0 связей в синтезированных полимерах была проведена реакция их взаимодействия с гидрокси-ламингидрохлоридом. Исходили из того, что если полимер имеет альдегидные группы в свободной или гидратированной форме, эта реакция

должна приводить к образованию полимера в форме оксима. В противном же случае, то есть если связь С-0 входит в состав основной цепи, реакция не пойдет и образование оксимной формы полимера происходить не будет.

чг

-г--■«

Рис.5. Рис.6.

Рис.5. ИК-спектры ПС частиц, полученных в отсутствие эмульгатора, до (I) и после их модификации акролеином со степенью прививки полиакролеина 7% (II) и 1235 (III).

Рис.6. ИК-спектры модифицированных полиакролеином ПС частиц, полученных в присутствии ДТК, до (I) и после их взаимодействия с гидроксиламингидрохлоридом (II) и человеческим сывороточным альбумином (III).

Анализ ИК-спектров модифицированных полиакролеином полимеров после их взаимодействия с гидроксиламингидрохлоридом показал, что в результате проведенной реакции интенсивность поглощения уменьша-

ется не только в области 1725 см"1, но и в области 1100 см"1 (Рис.6). Последнее говорит о том, что связь С-0 получена за счет образования циклических ацеталей, способных раскрываться с образованием свободных альдегидных групп.

Однако следует обратить внимание на тот факт, что при взаимодействии гидроксиламингидрохлорида с полиакролеином, содержащемся в оболочке модифицированных частиц подложек ПС№-68) и ПС(ДТК), интенсивность пика поглощения в области 1100 см"1 хотя и уменьшается, но все же сохраняет определенную величину. Это может быть обусловлено или тем, что эта величина отражает количество С-0 связей в главной цепи или тем, что не все циклические ацетали,- по той или иной причине, смогли раскрыться.

Для выяснения этого вопроса была проведена реакция с другим реагентом, способным вступать во взаимодействие с альдегидными группами синтезированных полимеров - человеческий сывороточный альбумин (НБА). Его выбор обусловлен тем, что он используется в иммунохимических реакциях.

Оказалось, что взаимодействие полиакролеина, содержащегося в оболочке модифицированных ПС(Г-68) и ПС(ДТК) подложек, с человеческим сывороточным альбумином приводит к практически полному исчезновению пика в области 1100 см"1, что показано на Рис.6.

Более сильное уменьшение интенсивности поглощения в области 1100 см"' в случае взаимодействия синтезированных полимеров с ША по сравнению с их реакцией с гидроксиламингидрохлоридом говорит о наличии в полимерах скрытых, но потенциально существующих альдегидных групп, находящихся в форме ацетальных циклов.

Результаты, полученные методом ИК-спектроскопии, подтверждают предположение о том, что радикальная полимеризация акролеина происходит в основном по винильной группе. Исходя из этих данных мож-

но предположить, что привитый к полимерным микросферам полиакролеин имеет следующую структуру:

Г 1 Г 1 Г 1

I СН0| | Н0-СН-0Н1 НО-СН-1 —0—СН-1 —0—СН-ОН I III II II II I -1 -СН2 -СН— I—I -СН2 -СН-1 —СН2 -СН-1 -СНг -СН-1 -СН2 -сн-

L jx L jy L jz

Следует отметить, что наличие, а точнее число, циклов в приведенной выше структуре полиакролеина оказывает влияние на соотношение реальных и потенциальных альдегидных групп в полимере. Так, если число циклов равно 1 или 2, то при определении свободных альдегидных групп методом химического функционального анализа, эти структуры способны раскрываться. Если же число циклов достигает больших значений, то в полимере« образуются блоки лестничного строения, не способные раскрываться при оксимировании даже в кипящем пиридине.

Наряду с числом циклов, на соотношение реальных и потенциальных альдегидных групп в полимере, оказывают влияние и условия проведения соответствующих реакций, в частности, рН среды. Потенциальные альдегидные группы. Заключенные в этих многоциклических структурах, и не способные раскрываться в слабо щелочных условиях реакции, успешно раскрываются в сильно щелочных средах.

Однако основным фактором, определяющим количество свободных и связанных -СНО групп в полиакролеине, является все же условия егс синтеза. Происходит это в силу того, что условия синтеза полиакро-леиновых частиц существенно влияют на структуру получаемого полимера, что соответственно отражается на качестве и количестве в неы реакционных групп.

Так, для микросфер, полученных ионной полимеризацией акролеи-

¡а, содержание альдегидных групп в полимере составляет 2,9 ммоль 1Льдегида/г микросфер, в то же время как для микросфер, полученных 1адикальной полимеризацией акролеина, например, под действием 1кислительно-восстановительной инициирующей системы, содержание шьдегидных групп равно 12,0 ммоль альдегида/г микросфер. Отсюда :ледует, что микросферы, получаемые по ионному механизму, содержат рачительно меньше альдегидных групп, чем микросферы, получаемые го радикальному механизму. Это вполне логично вытекает из данных то влиянию механизма полимеризации на образование соответствующих структурных форм полимера.

Однако нужно отметить, что полиакролеиновые микросферы даже синтезированные по одному и тому же механизму, хотя и незначительно, но также различаются содержанием в них альдегидных групп. Так, з случае инициирования полимеризации акролеина К--излучением их количество равно 9,3 ммоль альдегида/г микросфер, что меньше, чем при инициировании процесса окислительно-восстановительной системой, где это количество равно 12,0 ммоль альдегида/г микросфер.

В связи с тем, что содержание альдегидных групп в полиакроле-иновых микросферах, как показано выше, зависит от условий их синтеза, было интересным узнать, какое количество альдегидных групп образуется при полимеризации акролеина в выбранных в работе условиях.

Расчеты показали, что для модифицированных полиакролеином ПС(б/э), ПС(Р-68), ПС(ДТК) микросфер и микросфер сополимера ММА с МАК содержание альдегидных групп составляет соответственно 5,39;4,80; 9,34 и 8,07 ммоль альдегида/г привитого полиакролеина. Сравнение полученных результатов с литературными данными свидетельствует о том, что содержание альдегидных групп в синтезированных микросферах даже в образце, полученным с самым низким их со-

держанием, в 2 раза больше, чем их содержание в микросферах, пол; ченных методом основного катализа.

Наряду с вышеуказанными характеристиками микросфер, было оце нено количество альдегидных групп от теоретически возможного.

Проведенная оценка показала, что для ПС(б/э). ПС(F-68) ПС(ДТК) и сополимера ММА с МАК, модифицированных полиакролеином количество альдегидных групп составляет соответственно 30, 30, 5 и 45% от, теоретически возможного.

Учитывая полученные экспериментальные результаты, можно пред положить, что концентрация альдегидных групп на поверхности синте зированных микросфер не соответствует общей концентрации привитог мономера по двум причинам. Первая - то, что привитая полимеризаци: акролеина происходит как на поверхности частиц, так и в обьеме исходных микросфер. Вторая - то, что анализ количества альдегидны; групп в нашем случае проводили в мягких условиях.

Наличие альдегидных групп на поверхности полимерных микросфе( однако не является достаточным условием для эффективного применения этих микросфер. Необходимо выполнение еще ряда требований, предъявляемых к ним: частицы должны иметь определенный размер и узкое распределение по размерам, характеризоваться устойчивостью в процессе хранения и к действию электролитов.

Определение размера модифицированных, полиакролеином частиц и возможного, в результате проведения прививки, изменения распределе ния их по размерам проводили методом сканирующей электронной микроскопии (SEM).

Из анализа полученных методом SEM данных для исходных и модифицированных полиакролеином частиц, можно заключить, что размер модифицированных полиакролеином микросфер и их распределение по размерам по сравнению с исходными микросферами практически не из-

няется. Микросферы в результате прививки не претерпевают измене-:й в своей форме, остаются сферическими.

Также нужно сказать несколько слов о самом размере частиц, держащих альдегидные группы на своей поверхности. При ионной по-меризации акролеина образуются полимерные суспензии с размером :стиц в интервале от 0,04 до 8 мкм, в то же время при радикальной шимеризации акролеина образуются микросферы с размером в интер-1ле от 0,01 до 0.2 мкм.

Отсюда следует, что хотя полиакролеиновые микросферы, полу-;нные по радикальному механизму по ряду свойств (например, по со-;ржанию альдегидных групп) и превосходят микросферы, полученные ) ионному механизму, но диапазон возможных размеров частиц гораз-> уже.

Использование предложенного нами метода синтеза аналогичных жросфер может значительно расширить этот диапазон и будет лими-фоваться.лишь выбором размера частиц исходной подложки. Это наг-1дно иллюстрируется данными, приведенными на Рис.7. Видно, что инфицированные полиакролеином ПС(Р-68), ПС(ДТК) частицы, а также ютицы, полученные сополимеризацией ММА с МАК имеют размер, рав-й 0,6 мкм. Для модифицированных полиакролеином ПС(б/э) частиц 1змер микросфер составляет 0,9 мкм.

Помимо определенного размера, как уже отмечалось ранее, мик-зсферы, используемые в иммунохимическом анализе, должны обладать ;тойчивостыо как в процессе хранения, так и в физиологических 1створах.

В связи с этим была предпринята попытка охарактеризовать син-эзированные микросферы с точки зрения их устойчивости к действию пектролитов, в частности к раствору ИаС1.

Устойчивость исследуемых полимерных суспензий определяли ме-

- 20 -

тодом турбидиметрии. Результаты представлены на Рис.8.

Исходя из полученных данных можно заключить, что модифицирс ванные полиакролеином как ПС(Р-68). ПС(ДТК), ПС(б/э) суспензии

Рис.7. Микрофотографии SEM модифицированных полиакролеином ПС частиц, полученных в отсутствие эмульгатора (I), в присутствии F-68 (II) и ДТК (III), и частиц, полученных сополимеризацией ША с МАК (IV).

так и суспензии сополимера ММА с МАК, устойчивы к действию раствора ЫаС1 до его концентрации, равной 0,3 М, то есть обладают боль-

шей стабильностью по сравнению с аналогичными микросферами, получаемыми другими известными способами, например, анионной полимеризацией акролеина (их устойчивость к действию раствора ИаС1 сохраняется до его концентрации равной 0,2 М).

с

Чч

V <ч

\

Ч

V.

<ч

Рис.8. Изменение мутности суспензий модифицированных полиакролеином ПС частиц, полученных в отсутствие эмульгатора (I), в присутствии Р-68 (II) и ДТК (III) и частиц, полученных солслимери-зацией ММА с МАК ( ), при разведении их водой (1) и 1М раствором ИаС1 (2).

Учитывая, что полученные полимерные суспензии отвечают требованиям, предъявляемым к ним для использования в иммунохимических реакциях, они были апробированы для создания иммунологических диагностических систем.

В качестве компонентов иммобилизованных на поверхности синтезированных микросфер были использованы белки: человеческий сывороточный альбумин (НБА) и человеческий иммуноглобулин й .

Оценку иммунологической активности иммобилизованных белков проводили при помощи реакции латекс-агглютинации с моноспецифическими сыворотками к НБА и IgG.

Было показано, что по чувствительности модельные диагностические системы не уступают тест-системам на основе известных по-листирольных и полиакролеиновых частиц. Так, например, для диагностической системы на основе модифицированных полиакролеином ПС(ДТК) частиц предельное разведение антисыворотки, вызывающее реакцию латекс-агглютинации для Азнзд составило 1/1024, а для Аз)гЕ - 1/512. Отсутствие реакции с сывороткой здорового человека указывает на высокую специфичность полученных латекс-тестов.

Применение синтезированных частиц позволяет преодолеть некоторые недостатки существующих тест-систем. Один из них - "спонтанная агглютинация*, которая наблюдается при смешении растворов белка (концентрация 3 мг/мл и ниже) с 2%-ной суспензией полимерных частиц и проявляется в потере стабильности полимерной суспензии. При использовании синтезированных в работе частиц явление "спонтанной агглютинации" отсутствует.

Другая трудность, с которой приходится сталкиваться при создании диагностических систем - это обеспечение необратимой иммобилизации белков с максимальным сохранением их активности при хранении.

Известно, что, например, тест-системы, на основе микросфер, полученных анионной полимеризацией акролеина, не подлежат длительному хранению, что связано, очевидно, с нестабильностью полиакро-леиновых частиц в процессе хранения.

Синтезированные нами микросферы характеризуются высокой стабильностью при хранении как в виде порошка так и в виде водной суспензии. Однако нужно отметить, что при хранении в виде суспензии спустя 3 месяца содержание альдегидных групп снижается на 15%.

Полученные в работе результаты послужили основой патента на способ получения функциональных полимерных микросфер для иммунохи-мических исследований, поданного в Республике Польша.

ВЫВОДЫ

1. Предложен новый способ получения полимерных суспензий с

альдегидными группами на поверхности микросфер в широком интервале диаметров частиц и узким распределением их по размерам путем проведения пострадиационной привитой полимеризации акролеина из газовой фазы.

2. Показано, что кинетические закономерности пострадиационной привитой полимеризации акролеина из газовой фазы на микросферах, полученных методом эмульсионной полимеризации стирола и сополиме-ризации метилметакрилата с метакриловой кислотой, существенно зависят от природы полимера подложки и условий его получения.

3. Установлено, что пострадиационная привитая- полимеризация акролеина происходит в основном по винильной группе мономера, предложена структура привитого полиакролеина.

4. Установлено, что при радикальной гетерофазной полимеризации акролеина, инициированной *-излучением Со60-источника, полимерные суспензии образуются только в присутствии полимерных ПАВ.

5.Показано, что модельные диагностические системы, полученные при использовании синтезированных микросфер, по своим характеристикам не уступают, а в ряде случаев и превосходят, тест-системы на основе известных полистирольных и полиакролеиновых частиц.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Шуманский С.М. Синтез и свойства полимерных микросфер типа ядро-оболочка //Материалы 6 Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов по физической химии "Физхимия-90": Тезисы/ Москва. -1990. -с. 35.

2.-Шуманский С.М.,' Телешов Э.Н., Грицкова И. А. Пострадиационная прививочная полимеризация акролеина на полистирольные микросферы. //Материалы 2 Всесоюзной конференции по теоретической и прикладной радиационной химии: Тезисы/ Обнинск.-1990.-с.300.

3. Шуманский С. М., Вассуф X., Телешов Э.Н. Исследование механизма образование ПМЧ при радикальной эмульсионной полимеризации стирола с целью получения полимерных суспензий с узким распределением частиц по размерам. //Материалы 8 Всесоюзной научно-технической конференции "Синтетический латексы, их применение и модифицирование": Тезисы/Воронеж.-1991.-с. 40.

4. Шуманский С.М., Телешов Э. Н., Грицкова И. А. Получение функциональных полимерных суспензий методом радиационно-химической модификации. //Материалы 8 Всесоюзной научно-технической конференции "Синтетические латексы, их применение и модифицирование": Тезисы/ Воронеж. -1991.-с. 29.

5. Шуманский С. М., Телешов 3.Н., Грицкоба И.А., Гусев С.А., Дорохова Б.А. Радиационно-химический метод получения полимерных носителей для диагностикумов. //Материалы 9 Всесоюзного симпозиума

'Синтетические полимеры медицинского назначения": Тезисы/ Звениго-зод. -1991. -с.

6. Басырева Л. Ю.. Вакеева И.В.. Шуманский С. М.. Повалий Т.М.. ^рицкова И.А., Гусев С.А., Телешов Э.Н. Иммобилизация иммуноглобу-тона на полимерные микросферы с различными функциональными группами на поверхности. //Материалы 9 Всесоюзного симпозиума "Синтети-)еские полимеры медицинского назначения": Тезисы/ Звениго->од.-1991.-с.

7. Gritskova I. А.. Gusev S.A.. Grzym В., Teleshov E.N., Shumanskil S.M., Grzywa-Niksinska I. The synthesis and characterization of microspheres with aldehyde groups on the surface - Polymery. 1991, V.36, n.6, p. 229

Подписано e печать 25.01.93 Изд.И91

í-ормат 60x84 1/16 1,5 печ.л. 1,35уч.-изд.л.

Tupas 100 экз. Заказ В 10 Бесплатно

Научпо-исследоЕательскп" институт техшжо-экономдческих исследований.

Москва, ул. Наметкина, 14 Лаборатория обзорной и реферативной НТИ и подготовки изданий/ Москва, ул. ййрярm'osa, 15а